ОБЗОР ТЕНДЕНЦИЙ В РАЗРАБОТКЕ БИОМИМЕТИЧЕСКИХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
Аннотация
Представлен обзор некоторых современных тенденций в разработке и создании биомиме- тических подводных аппаратов. Биомиметика как междисциплинарная область науки черпает вдохновение из природных форм, что позволяет разработчикам создать оригинальные решения для задач подводных исследований. Во введении отмечена актуальность задачи и преимущества биомиметических конструкций, приведены некоторые успешные примеры использования данных подводных объектов. Указана цель, задачи обзора, описаны методы сбора, анализа информации. Отмечены особенности данной междисциплинарной области разработок подводных аппаратов, которые конструируются с учётом не только технологичности, также используются знания из области биологии. Представлены конструкции биомиметических роботов рыб, материалы для этих подводных аппаратов с учётом обтекаемости. Описаны разновидности технологий созда- ния автономных подводных аппаратов, их особенности движения и управления в водной среде: рыбоподобные движения, реактивная тяга. Подчеркнуты методы управления биороботами, ука- заны разработки на основе движения плавниками ската манты. Отмечена важность применение глубокого обучения с подкреплением при моделировании управления подводного аппарата. Подроб- но представлены примеры разработки биомиметических подводных аппаратов на основе вычис- лительного анализа динамики жидкости, возникновение турбулентности при различных типах движения. Некоторые разработчики создали бионические дельфиноподобные роботы, объединив механические свойства и подводное планирование, что позволило значительно улучшить манев- ренность и скорость этих аппаратов. Рассмотрены некоторые примеры реализации метода био- нического дизайна в области судостроения, авиации. Отмечены проблемы и перспективы разви- тия биомиметических технологий применительно к разработкам подводных автономных биоми- метических аппаратов. В заключение указаны основные результаты исследования и перспективы развития биомиметических технологий в морской инженерии
Список литературы
1. Navy develops “Ghost Swimmer” drone that looks like a shark. Seriously.
– https://www.csmonitor.com/USA/Military/2014/1216/Navy-develops-GhostSwimmer-drone-thatlooks-
like-a-shark.-Seriously (дата обращения: 24.10.2024).
2. Szymak P. Research on biomimetic underwater vehicles undertaken at Institute of Electrical Engineering
and Automatics // Maritime Technical Journal. – 2016. – Vol. 206 (3). – P. 107-119. – DOI:
10.5604/0860889X.1224752.
3. Malec M., Morawski M., Szymak P., Trzmiel A. Analysis of Parameters of Traveling Wave Impact on the
Speed of Biomimetic Underwater Vehicle // Solid State Phenomena. – 2014. – Vol. 210. – P. 273-279.
4. Szymak P., Praczyk T., Naus K., Szturomski B., Malec M., Morawski M. Research on biomimetic underwater
vehicles for underwater ISR // Ground/Air Multisensor Interoperability, Integration, and
Networking for Persistent ISR VII. – SPIE, 2016. – Vol. 9831. – P. 126-139. – DOI:
10.1117/12.2225587.
5. Бочаров А.Ю. Современные тенденции в развитии миниатюрных подводных аппаратов и робо-
тов за рубежом // Подводные исследования и робототехника. – 2006. – № 2. – С. 36-52.
6. Яцун С.Ф., Лушников Б.В., Казарян К.Г., Ворочаева Л.Ю., Ворочаев А.В. Конструктивные осо-
бенности бионического робота-рыбы // Известия Юго-Западного государственного университе-
та. Серия Техника и технологии. – 2017. – № 2 (23). – С. 94-102.
7. Яцун С.Ф., Королёв В.И., Бондырев В.Е., Лушников Б.В. Развитие малых и средних автономных
необитаемых подводных аппаратов на основе бионических (рыбоподобных) принципов движе-
ния для решения задач подразделений специального назначения ВМФ РФ // Известия ЮФУ.
Технические науки. – 2019. – № 1 (203). – С. 98-109. – DOI: 10.23683/2311-3103-2019-1-98-109.
8. Щур Н.А., Митин И.В., Коротаев Р.А., Миронов В.И., Казанцев В.Б. Экспериментальное исследова-
ние и численное моделирование гидродинамики рыбоподобного подводного робота // Робототехни-
ка и техническая кибернетика. – 2023. – Т. 11, № 1. – С. 40-44. – DOI: 10.31776/RTCJ.11105.
9. Аббасов И.Б., Тихомиров С.А. Обзор некоторых современных автономных биомиметических
подводных аппаратов // Cifra. Машиностроение. – № 3 (4). – DOI: https://doi.org/10.60797/
ENGIN.2024.4.1.
10. Ren K., Yu J. Research status of bionic amphibious robots: A review // Ocean Engineering. – 2021.
– Vol. 227. – DOI: 10.1016/j.oceaneng.2021.108862.
11. He Y., Xie Y., Pan G. [et al.]. Depth and Heading Control of a Manta Robot Based on S-Plane Control //
Journal of Marine Science and Engineering. – 2022. – Vol. 10. – P. 1698. – DOI: 10.3390/jmse10111698.
12. Hasan K. et al. Oceanic Challenges to Technological Solutions: A Review of Autonomous Underwater
Vehicle Path Technologies in Biomimicry, Control, Navigation and Sensing // IEEE Access.
– 2024. – P. 46202-46231. – DOI: 10.1109/ACCESS.2024.3380458.
13. Won-Shik Chu, Kyung-Tae Lee, Sung-Hyuk Song. Review of biomimetic underwater robots using
smart actuators // International journal of precision engineering and manufacturing. – 2012. – Vol. 13.
– P. 1281-1292. – DOI: 10.1007/s12541-012-0171-7.
14. Fomg-Chen Chiu, Jenhwa Guo, Ji-Gang Chen, Yen-Hwa Lin. Dynamic characteristic of a biomimetic
underwater vehicle // Proceedings of the 2002 International Symposium on Underwater Technology.
– 2002. – No. 1, Sec. 4. – DOI: 10.1109/UT.2002.1002422.
15. Rui Wang, Shuo Wang, Yu Wang, Long Cheng, and Min Tan. Development and Motion Control of
Biomimetic Underwater Robots: A Survey // IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics:
Systems. – 2022. – Vol. 52, Issue 2. – P. 833-844. – DOI: 10.1109/TSMC.2020.3004862.
16. Haimo Bao, Yan Zhang, Meiping Song, Qiao Kong, Xiaohui Hu. A review of underwater vehicle
motion stability // Ocean Engineering. – 2023. – 287. – 115735.
17. Yu Wang, Chong Tang , Shuo Wang, Long Cheng, Rui Wang, Min Tan, and Zengguang Hou. Target
Tracking Control of a Biomimetic Underwater Vehicle Through Deep Reinforcement Learning // IEEE
Transactions on Neural Networks and Learning Systems. – 2022. – Vol. 33, Issue: 8. – P. 3741-3752.
– DOI: 10.1109/TNNLS.2021.3054402.
18. Serchi F.G., Arienti A., Laschi C. Biomimetic Vortex Propulsion: Toward the New Paradigm of Soft
Unmanned Underwater Vehicles // IEEE IEEE/Asme Transactions On Mechatronics. – 2013. – Vol. 18 (2).
– P. 204-2015.
19. Горюнов Д.С., Каримов Т.И., Каримов А.И., Рыбин В.Г., Колев Г.Ю. Проектирование рыбопо-
добного биоморфного движителя // Международная конференция по мягким вычислениям и
измерениям. – 2023. – Т. 1. – С. 97-100.
20. Chunlin Zhou and K. H. Low. Design and Locomotion Control of a Biomimetic Underwater Vehicle
With Fin PropulsionMember // IEEE/ASME Transactions on mechatronics. – 2012. – Vol. 17 (1).
21. Jenhwa Guo. Maneuvering and control of a biomimetic autonomous underwater vehicle // Auton
Robot. – 2009. – Vol. 26. – P. 241-249. – DOI: 10.1007/s10514-009-9117-z.
22. Praczyk T. Neural collision avoidance system for biomimetic autonomous underwater vehicle // Soft
Computing. – 2020. – Vol. 24. – P. 1315-1333. – https://doi.org/10.1007/s00500-019-03969-6.
23. Colgate J.E., Lynch K.M. Mechanics and Control of Swimming: A Review // IEEE Journal of Oceanic
Engineering. – 2004. – Vol. 29 (3). – P. 660-673.
24. Kim H., Lee B., Kim R. A Study on the Motion Mechanism of Articulated Fish Robot // The 2007
IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, Proceedings, Harbin (China), 2007.
– P. 485-490.
25. Zhang Z., Wang Q., Zhang S. et all. Review of Computational Fluid Dynamics Analysis in Biomimetic
Applications for Underwater Vehicles // Biomimetics. – 2024. – Vol. 12 (2). – 33 p.
– https://doi.org/10.3390/biomimetics9020079.
26. Fouladi K., Coughlin D.J. CFD Investigation of Trout-Like Configuration Holding Station near an
Obstruction // Fluids. – 2021. – Vol. 6. – P. 204-230.
27. Chung H, Cao S, Philen M, Beran P.S, Wang K.G. CFD-CSD Coupled Analysis of Underwater Propulsion
Using a Biomimetic Fin-and-Joint System // Comput. Fluids. – 2018. – Vol. 172. – P. 54-66.
28. Wright M., Luo Y, Xiao Q., Post M, Gorma W., Durrant A., Yue H. CFD-FSI Analysis on Motion Control
of Bio-Inspired Underwater AUV System Utilizing PID Control // In Proceedings of the 2020
IEEE/OES Autonomous Underwater Vehicles Symposium (AUV), IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2020.
– P. 1-6.
29. Li R., Xiao Q., Liu Y., Li L., Liu H. Computational Investigation on a Self-Propelled Pufferfish Driven
by Multiple Fins // Ocean Eng. – 2020. – 197. – 106908.
30. Gao P., Huang Q., Pan G., Song D., Gao Y. Research on Swimming Performance of Fish in Different
Species // Phys. Fluids. – 2023. – 35. – 061909.
31. Luo Y., Xu T., Huang, Q., Hou Z., Pan G. A Numerical Investigation on Thrust and Torque Production of a
Batoid Fish with Asymmetric Pectoral Fins Flapping // Ocean Eng. – 2022. – Vol. 263. – P. 112-132.
32. Menzer A., Li C., Fish F., Gong Y., Dong H. Modeling and Computation of Batoid Swimming Inspired
Pitching Impact on Wake Structure and Hydrodynamic Performance // In Proceedings of the Vol. 2:
Multiphase Flow (MFTC); Computational Fluid Dynamics (CFDTC); Micro and Nano Fluid Dynamics
(MNFDTC), Toronto, Canada, 2022; American Society of Mechanical Engineers: New York, NY,
USA; p. V002T05A003.
33. Safari H., Abbaspour M., Darbandi M. Numerical Study to Evaluate the Important Parameters Affecting
the Hydrodynamic Performance of Manta Ray’s in Flapping Motion // Appl. Ocean Res. – 2021.
– Vol. 109. – 102559.
34. Xue Z., Li L., Song Y. The Research of Maneuverability Modeling and Environmental Monitoring
Based on a Robotic Dolphin // Appl. Bionics Biomech. – 2021. – 4203914.
35. Cao J., Li Z., Zhou X., Xia D. Numerical Exploration on Pitching Motion of Robotic Dolphin Realized by
Pectoral Fin // In Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation
(ICMA), Takamatsu, Japan, 8–11 August 2021; IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2021. – P. 628-632.
36. Wu Z., Yu J., Yuan J., Tan M. Analysis and Verification of a Miniature Dolphin-like Underwater Glider
// Industrial Robot: An International Journal. – 2016. – 43.6. – P. 628-635.
37. Wu Z., Yang X., Zhou C., Yuan, J., Yu J. Dynamics Modeling and Simulation for a Gliding Robotic
Dolphin // In Proceedings of the 2016 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics
(ROBIO), Qingdao, China, 3–7 December 2016; IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2016. – P. 829-834.
38. Wu Z., Yu J., Yuan J., Tan M., Zhang J. Mechatronic Design and Implementation of a Novel Gliding
Robotic Dolphin // In Proceedings of the 2015 IEEE International Conference on Robotics and
Biomimetics (ROBIO), Zhuhai, China, 6–9 December 2015; IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2015.
– P. 267-272.
39. Zhang X., Wang J., Wan D. CFD Investigations of Evolution and Propulsion of Low-Speed Vortex
Ring // Ocean Engineering. – 2020. – 195. – 106687.
40. Bi X., Zhu Q. Dynamics of a Squid-Inspired Swimmer in Free Swimming // Bioinspiration &
Biomimetics. – 2019. – 15. – 016005.
41. Anderson E.J.; Grosenbaugh M.A. Jet Flow in Steadily Swimming Adult Squid // J. Exp. Biol. – 2005.
– 208. – P. 1125-1146.
42. Olcay A.B., Malazi M.T. The Effects of a Longfin Inshore Squid’s Fins on Propulsive Efficiency during
Underwater Swimming // Ocean Engineering. – 2016. – 128. – P. 173-182.
43. Luo Y., Xiao Q., Zhu Q., Pan G. Pulsed-Jet Propulsion of a Squid-Inspired Swimmer at High Reynolds
Number // Phys. Fluids. – 2020. – 32. – 111901.
44. Malazi T.M. Design Optimization of a Longfin Inshore Squid Using a Genetic Algorithm // Ocean
Engineering. – 2023. – 279. – 114583.
45. Дуршляк В.В., Кизилова Н.Н., Корякина О.А., Халин А.И., Шишов Н.И. Оценка аэродинамических
характеристик бионических форм // Механика. Исследования и инновации. – 2021. – Вып. 14. – С. 21
46. Галушко И.Д., Салмина В.А. и Макарьян Г.М. Разработка испытательного стенда для тестирова-
ния системы управления подводного робота с изменяемой геометрией корпуса // Динамика и
виброакустика. – 2019. – Т. 5, № 3. – DOI: 10.18287/2409-4579-2019-5-3-6-13.
